FDM打印質量缺陷及分析

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摘 要：熔融沉積成形是一種3D打印成形工藝，其加工靈活性強、設備結構簡單、材料成本低，在機械加工、教育等行業得到了廣泛應用。但是受到工藝和設備精度的限制，其加工的制件會出現強度不夠、表面質量差、扭曲錯位及翹曲竄動等缺陷，文章對主要缺陷產生的原因進行了分析，并總結了改善缺陷的主要方法。

關鍵詞：FDM打印；質量；缺陷

中圖分類號：TP334.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0082-02

1 FDM打印技術概述

熔融沉積成形Fused Deposition Modeling（FDM）是3D打印技術中的一種典型加工工藝。3D打印技術，又稱增材制造技術，是結合CAD技術將模型離散成有限個單元，并逐層加工堆積成形的加工方式[1]。英國《經濟學人》雜志將3D打印技術喻為第三次工業革命的推動力量[2]。得益于累積加工方式，3D打印技術無需考慮減材制造中涉及的刀具所需空間和軌跡，因此其成形靈活性更高、設計難度低且生產周期短，目前廣泛應用于機械加工、模具制造、教育、醫療及航空航天等多個領域。

3D打印技術起源于分層制造法，由J. E. Blanther在1892年提出，并在早期應用于制作地形圖。1988年，美國3D systems研制出FDM打印技術，并發明了第一臺快速成形機，隨后DTM、Z Crop等多家公司也不斷研制并推出3D打印技術及設備，推動了3D打印技術的快速發展。國內也積極開展了對于FDM技術的研發，西安交通大學、北京航空航天大學都相繼建立了工作室，同時市場也涌現出了大批的科技公司，成功研制出了FDM設備及接口軟件[3]，促進了該技術在國內的推廣和應用。

2 FDM打印技術原理

3D打印技術的基本原理是離散和堆積[4]。首先利用CAD或者逆向工程技術完成模型的建立，在程序處理的過程中，將構建好的模型沿著一定的方向離散成有限個單元，每個單元可近似地看成平面，并生成加工軌跡。在加工的過程中，每次完成一個平面的加工，再通過層與層之間的連接進行堆積，累積成三維實體，最終完成三維成形。

熔融沉積成形原材料為絲狀塑料，加工時利用輥子將絲送入噴頭，塑料在噴頭高溫的作用下迅速融化，并由噴頭擠出并粘結至工作臺或已成形表面，隨后快速冷卻凝固，每粘結完一層，噴頭上升或工作臺下降一定高度，以進行下一層的粘結，如此循環最終獲得制件。制件完成后要進行去支撐、光滑表面等后處理操作[5]。

3 FDM打印主要質量缺陷及分析

熔融沉積成形雖然有其快速便捷的優勢，但也存在成形精度低、表面質量差，加工速度慢等缺點。其生產的制件主要質量缺陷有以下幾種：

3.1 強度不夠

強度不夠是FDM制件的主要問題，也因此限制了該技術的應用范圍。強度問題主要是由于工藝和材料導致的。首先，打印材料對制件強度起著決定性作用，FDM應用的材料為塑料，如工程塑料ABS，聚碳酸酯PC和聚乳酸PLA等。但不同的塑料強度差異很大，ABS材料的強度和韌性就明顯好于PLA材料，但由于PLA屬于生物降解材料，材料價格低廉且更加環保，應用PLA材料的打印設備成本也相對較低，因此PLA材料在示范教學中應用得更為廣泛。對于材料的選擇，應綜合考慮制件性能需求、應用范圍及經濟性等多個因素，選擇更為合適的材料。其次，FDM的原理是將實體模型分成若干層，對每層進行打印，層與層之間依靠材料融化后重新凝固進行連接。而這種連接方式的強度則受到材料熱物理特性和模型的影響。當模型截面較小時，兩層之間的連接部分面積過小，則會導致連接強度不夠，在后期模型處理或受力的過程中很容易發生折斷。因此，在模型設計的過程中，應盡量避免尺寸過小的連接部分。

3.2 表面質量差

FDM打印過程中常出現的另一種缺陷是表面拉絲，這些絲有時呈點狀，有時呈長條狀，直接影響制件的表面質量及使用性能，對于需要精密配合的制件，表面質量差會直接導致裝配精度不達標甚至無法裝配。表面拉絲是由于噴頭在材料外表面停止擠出材料時，仍有一部分融化的材料受到重力的作用流出噴頭，附著在制件表面，形成點或長條。現有設備大多通過在打印停止時進行材料絲回抽來緩解表面拉絲問題，該方法在每段程序打印完成后，噴頭抬起時加入一段程序，使材料絲反向運動，盡可能保證融化的材料不流出噴頭。回抽材料過少不能明顯改善拉絲現象，而回抽材料過多會導致下次打印的起始點不準，影響層與層之間的連接，因此要想通過回抽的方法改善表面拉絲問題，要求設備精度較高，尤其是對于給絲電機的精度，提出了較高的要求。對于已經出現拉絲的制件，只能通過后期表面處理，用砂紙或銼刀等方式機械地去除多余材料，但也有可能會導致制件表面出現許多細小的材料屑，需要噴漆等進一步后處理以彌補表面質量缺陷。

另一種表面質量缺陷是由于支撐部分造成的。由于FDM是由下自上累積成形的，對于一些上部的突出結構，必須從底部對其添加支撐結構。若模型與支撐采用同種材料同時進行加工，后期只能用刀具去除支撐部分，則與支撐接觸的制件表面質量會下降。部分機器模型和支撐采用兩種材料，支撐為水溶性材料，在后期處理時可用堿溶液融化支撐，所得到的制件表面質量相對較好。

3.3 扭曲、錯位

在3D打印的過程中，也經常出現制件上下兩部分相對位置發生移動，導致制件扭曲或錯位的情況。在連續打印中，這種上下不對應的情況常常是由于已經打好的部分受到外力的作用發生移動導致的，這種移動可能是由于模型與底板部分連接不牢固，使得在材料發生熱脹冷縮等變形時，從底板脫落導致的，也可能是由于機器精度不夠，噴頭在移動中撞擊到了已經打印好的部分造成的。除此之外，在模型打印的過程中，人為的觸碰和干擾也會導致上下模型的錯位。

而錯位現象的產生更容易發生在斷點續打之后。隨著3D打印技術的不斷發展，斷點續打技術也越來越多的被采用，以打破3D打印過程需要設備長時間不間斷工作的限制，大大提升了該技術的靈活性。所謂斷點續打技術就是在打印的過程中，人為地停止打印，而此時打印機會在程序中進行標記，記錄打印進度及打印停止時噴頭的坐標參數，在下次繼續打印時，打印機會選擇從上一次標記的位置開始程序，將噴頭置于上次所處的坐標位置開始打印。在這一過程中，由于噴頭位置精度等因素的限制，記錄和重新讀取數據都存在一定的偏差，因此在續打后很容易出現上下錯位的情況。通常續打完成的制件，可在制件表面觀察到續打的痕跡，表明該技術仍需進一步的改進和完善。目前續打技術多應用于一些形狀簡單、精度和表面質量要求不高的制件中。endprint

3.4 翹曲、竄動

制件在打印后期容易發生變形、翹曲的缺陷，且越接近底層變形越大，嚴重時制件會從底板上完全脫離、竄動，導致制件制作的失敗。這種變形主要是制件內部的熱應力導致的，材料絲首先被加熱至融化，然后擠出粘結在底板或已加工完成的部分上方，此時材料溫度較高，發生膨脹，稍后材料冷卻時發生收縮，這種收縮隨著層數的增加發生累積，最終導致變形。目前解決翹曲的主要方式有兩種，一種是底板加熱，另一種是封閉加工，加熱環境溫度。兩種方法的目的都是為了使材料受熱更均勻，冷卻的過程中緩慢的釋放熱應力，避免應力集中造成的翹曲，其中封閉加熱環境溫度能夠使模型整體處于恒定溫度中，對熱應力問題的改善更為明顯。

4 結束語

3D打印作為新興技術，具有其獨特的優勢，能夠利用模型的離散和堆積完成產品的快速成形，實現了快速原型技術等，能夠有效地節省生產成本，縮短生產周期。3D打印根據成形原理及材料的不同又分為許多種，其中FDM技術主要應用于塑料產品的制造。但該技術及相關設備的研發仍出在發展階段，制件容易發生強度低、表面質量差、扭曲錯位及翹曲竄動等缺陷，需要在模型設計及設備研發的過程中考慮到缺陷產生的可能性。在模型設計的過程中應避免截面過小的部分，以防止該部分強度不夠造成整體力學性能的下降。在設備硬件設計的過程中也考慮反向抽絲及加熱問題，以盡可能地改善表面拉絲及翹曲竄動等問題。在軟件研發中，也應提高噴頭位置的控制精度，進一步完善斷點續打程序，同時提高中斷位置的捕捉精度和續打位置的控制精度，避免模型的扭曲和錯位。除此之外，FDM打印制件仍然存在一些質量不穩定的因素，需要對相關技術和工藝及設備的不斷研發和優化。

參考文獻：

[1]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術發展[J].機械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.

[2]Wang F Y. From social computing to social manufacturing： the coming industrial revolution and new frontier in cyber-physical-social space[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences， 2012.

[3]李滌塵，田小永，王永信，等.增材制造技術的發展[J].電加工與模具，2012（s1）：20-22.

[4]陳鵬.3D打印技術實用教程[M].中國工信出版社，2016.

[5]周功耀，羅軍.3D打印基礎教程[M].東方出版社，2016.endprint